平面自跟蹤天線技術(shù)在“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信中的應(yīng)用

1 引言

隨著我國通信、導(dǎo)航、遙控、遙測(cè)和遙感等各方面技術(shù)的飛躍突破，應(yīng)用于衛(wèi)星通信的天線技術(shù)也不斷進(jìn)步，我國從事微波技術(shù)與天線設(shè)計(jì)的專業(yè)技術(shù)人員在電磁波 導(dǎo)行與輻射傳輸工程領(lǐng)域積累了豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，為充分滿足我國軍隊(duì)、電信、公安、電力、水力、氣象、地震等領(lǐng)域的應(yīng)急衛(wèi)星通信使用需求，“動(dòng)中通”衛(wèi)星通 信系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展十分迅速。天線是這一系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的設(shè)備，具有低剖面、高增益的平面陣列形式的高頻段“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信天線產(chǎn)品更好地滿足了應(yīng)急通 信需求。本文僅就平面自跟蹤天線技術(shù)在“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用作簡要敘述。

2 軍事領(lǐng)域的“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用需求對(duì)天線的要求

“動(dòng)中通”天線技術(shù)是戰(zhàn)場(chǎng)信息傳輸系統(tǒng)中的主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)。在信息化浪潮席卷全球的時(shí)代，戰(zhàn)爭形態(tài)正朝著信息化方向發(fā)展，信息化戰(zhàn)爭形態(tài)決定了 數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)形態(tài)的到來。數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)的本質(zhì)特征是提供戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知，為作戰(zhàn)部隊(duì)和各種武器平臺(tái)提供戰(zhàn)場(chǎng)共享畫面，為戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)提供依據(jù)。這種本質(zhì)特 征決定了未來的數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)要求參戰(zhàn)的部隊(duì)必須具有高度的機(jī)動(dòng)能力，做到對(duì)瞬息萬變的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)做出快速反應(yīng)；要求信息傳輸設(shè)備不僅能迅速架設(shè)、運(yùn)作，還要能 實(shí)現(xiàn)部隊(duì)在運(yùn)動(dòng)作戰(zhàn)的過程中，提供充分的信息支援，即實(shí)現(xiàn)“動(dòng)中通”。

隨著數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)建設(shè)的發(fā)展，對(duì)“動(dòng)中通”的要求將越來越高：一是機(jī)動(dòng)性更高，快速反應(yīng)能力更強(qiáng)；二是信息傳輸容量更大；三是對(duì)惡劣戰(zhàn)爭環(huán)境的適應(yīng)能力更 強(qiáng)。為滿足“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)在數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)上的使用需求，采用Ku頻段及更高頻段的射頻傳輸設(shè)備勢(shì)在必行。而“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，天線是非常關(guān) 鍵的部件，因此要求“動(dòng)中通”衛(wèi)星天線必須是強(qiáng)方向性的和高增益性的、具有較低剖面、設(shè)備體積小易于隱蔽、可實(shí)現(xiàn)天線波束對(duì)方向的自動(dòng)跟蹤、在低仰角下仍 保持通信。

3 平面自跟蹤天線技術(shù)在“動(dòng)中通”系統(tǒng)中的應(yīng)用

平面自跟蹤天線技術(shù)應(yīng)用于Ku頻段“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)，大大提高了天線設(shè)備性能和“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信系統(tǒng)的總體通信效果。采用寬頻帶陣列技術(shù)的天線輻 射陣元組成的天線，可以在有效降低天線剖面尺寸的同時(shí)保證天線具有更好的輻射效率和方向圖特性；可以減小天線系統(tǒng)的整體尺寸和重量，更易于安裝在車輛和飛 機(jī)等移動(dòng)載體上，適合于移動(dòng)通信。

3.1 平面自跟蹤天線技術(shù)簡介

平面自跟蹤天線技術(shù)（Planar Auto-tracking Antenna Technology）是一種區(qū)別于拋物反射面天線形式，采用在二維平面上按一定規(guī)律排列天線輻射單元和饋電電路的陣列天線形式；在天線波束對(duì)星指向跟蹤上采用單通道單脈沖自跟蹤的天線技術(shù)。

3.1.1平面陣列天線技術(shù)

在Ku頻段“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信天線設(shè)計(jì)上所采用的平面陣列天線技術(shù)主要是指，將一定數(shù)量的輻射單元在二維平面上按一定的空間位置關(guān)系排列，并通過控制單元 的饋電相位和幅度，在空間中某一方向形成定向波束的天線技術(shù)。平面陣列天線技術(shù)的主要特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)高增益，并可以靈活的控制波束形狀和副瓣電平等天線方向圖指標(biāo)。

平面陣列天線技術(shù)主要采用等間距陣列和不等間距陣列兩類陣元排布方式。其中由于等間距陣列天線形式中饋電網(wǎng)絡(luò)排布簡便，因此等間距陣列技術(shù)較為常用。不等間距陣列技術(shù)主要應(yīng)用于密度加權(quán)陣列、希布陣列。

等間距陣列按照排布方式也分為矩形柵格陣列，三角柵格陣列等。三角柵格陣列技術(shù)一般應(yīng)用在相控陣天線設(shè)計(jì)中以減少T/R組件數(shù)量，縮小單元間距，而“動(dòng)中通”系統(tǒng)中一般采用矩形柵格陣列技術(shù)，為了方便饋電網(wǎng)絡(luò)排布。

3.1.2天線自跟蹤技術(shù)

目前采用的天線自跟蹤技術(shù)包括：陀螺及慣導(dǎo)組合跟蹤、極大值跟蹤、圓錐掃描跟蹤及單脈沖跟蹤的方式。

陀螺慣導(dǎo)跟蹤依托高精度陀螺和慣性導(dǎo)航組合技術(shù)，驅(qū)動(dòng)天線保持波束指向衛(wèi)星。跟蹤精度取決于陀螺和慣導(dǎo)的精度，與天線本身的信號(hào)無關(guān)；

極大值跟蹤方式需要獲得天線接收信號(hào)的強(qiáng)度值，根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱驅(qū)動(dòng)天線指向信號(hào)最大的方向，在天線具有較寬的波束寬度時(shí)跟蹤效果較好；

圓錐掃描跟蹤方式，需要將天線的副反射面或饋源做極小的偏軸，形成圓錐形旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生差值信號(hào)，并在不同的旋轉(zhuǎn)位置進(jìn)行采樣，獲取跟蹤參數(shù)完成跟蹤。天線在工作時(shí)副面或饋源必須不停頓的轉(zhuǎn)動(dòng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，且只能適用于反射面天線。

單脈沖跟蹤需要天線系統(tǒng)形成合差信號(hào)，利用天線指向誤差造成合差信號(hào)相位誤差的原理，使用單脈調(diào)制通過跟蹤接收機(jī)檢測(cè)誤差信號(hào)，根據(jù)誤差信號(hào)驅(qū)動(dòng)天線完成跟蹤。是目前最先進(jìn)、最穩(wěn)定的跟蹤方式。

3.2 國產(chǎn)YW10-22型Ku頻段動(dòng)中通天線系統(tǒng)技術(shù)特色

3.2.1低輪廓收發(fā)共面

天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為方位長、俯仰短的形式，在保證天線面積的前提下最大限度的降低了天線高度。采用寬頻帶陣列設(shè)計(jì)方案，使天線的工作頻率覆蓋Ku波段的發(fā) 射和接收兩個(gè)頻段。所有陣列單元排布在同一塊天線板上，避免了不同天線發(fā)射面板和天線接收面板之間在俯仰角度上的相互遮擋的問題，使天線在低俯仰角度下也 可以工作，提高天線的隨動(dòng)性。

3.2.2高效率、低旁瓣

天線效率高，在同樣的增益參量水平上天線可以體積更小、重量更輕和更易于安裝于移動(dòng)載體；天線低的旁瓣特性，可以允許天線使用更大功率發(fā)射信號(hào)的并在天線移動(dòng)過程中避免臨星干擾。

3.2.3單通道單脈沖自跟蹤

應(yīng)用于Ku頻段“動(dòng)中通”衛(wèi)星天線的單脈沖自跟蹤技術(shù)，是通過閉環(huán)跟蹤方式，從一個(gè)脈沖中獲得和、差射頻信號(hào)，確定天線波束指向與衛(wèi)星之間的位置關(guān)系，驅(qū) 動(dòng)波束指向隨天線自身運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，使天線波束指向持續(xù)地對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的跟蹤技術(shù)。單脈沖自跟蹤技術(shù)具有實(shí)時(shí)性好、跟蹤速度快和跟蹤精度高的優(yōu)點(diǎn)。

“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信天線會(huì)在載體移動(dòng)過程中時(shí)刻發(fā)生姿態(tài)和位置變化，單脈沖自跟蹤技術(shù)可以使天線在工作過程中不斷修正波束指向，穩(wěn)定地對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，確保通信在載體移動(dòng)過程中不會(huì)間斷。

3.2.4高隔離度極化跟蹤

采用具有專利技術(shù)的極化器，不僅可以實(shí)現(xiàn)極化自動(dòng)跟蹤，也可以有效抑制極化之間的相互干擾，更好的提高提高天線信噪比，確保更高的傳輸精度；提高通信信道的頻率利用率，使信道獲得更寬的利用頻率，信息傳輸容量大。

3.2.5 0-90°俯仰角內(nèi)穩(wěn)定工作

天線在0-90°俯仰角范圍內(nèi)可工作并具有均衡而穩(wěn)定的預(yù)期方向圖特性，即使天線水平位置隨載體移動(dòng)而發(fā)生傾斜或通信中遇到車輛行進(jìn)在坡面路段，仍可以維持通信的不間斷性。

4 結(jié)束語

“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信天線系統(tǒng)的核心設(shè)備是天線，平面自跟蹤天線技術(shù)在“動(dòng)中通”衛(wèi)星天線系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)使那些安裝了不超過30cm高度的低輪廓衛(wèi)星天線的車輛靈活地穿越各種復(fù)雜路面環(huán)境并通暢地實(shí)時(shí)傳遞音視頻信息。